АДСОРБЦИЯ(от латински ad-on, с и sorbeo-абсорбирам), промяна (обикновено увеличение) на веществото близо до фазовата граница („абсорбция на повърхността“). В общия случай причината за адсорбцията е липсата на компенсация между молекулните тегла. сили в близост до тази повърхност, т.е. наличието на адсорбенти. силово поле. Тялото, което създава такова поле, се нарича. , в които могат да бъдат адсорбирани, и d so r b t и в около m, вече са адсорбери. в-в-адсорбат. процес, обратна адсорбция, наречена
. Естество на адсорб. сила m.b. много различни. Ако това са сили на Ван дер Ваалс, тогава се нарича адсорбция. физически, ако валентността (т.е. адсорбцията е придружена от образуването на повърхностни химични съединения), - химична или. Ще различи. характеристики - необратимост, високи топлинни ефекти (стотици kJ/), активиран характер. Между физическите и хим. Има много пропуски между адсорбцията. случаи (например адсорбция поради образуването). Възможни са и различни видове. видове физически адсорбция макс. универсално проявление на междумолекулна дисперсия. сили на привличане, тъй като те са приблизително постоянни за всяка химическа повърхност. природа (т.нар. неспецифична адсорбция). Phys. адсорбцията може да бъде причинена от електростатично. сили (взаимодействие между, диполи или квадруполи); в този случай адсорбцията се определя от хим. естеството на адсорбента (т.нар. специфична адсорбция). Средства. роля вадсорбция
Геометрията на интерфейса също играе роля: при плоска повърхност се говори за адсорбция върху отворена повърхност, при леко или силно извита повърхност се говори за адсорбция в пори.
В теорията на адсорбцията се прави разлика между статика (системата адсорбент-адсорбат е термодинамична) и кинетика (не).
Адсорбционна статика .
Има интегрални, диференциални, изостерични. и средна топлина на адсорбция. Интегралната топлина Q е равна на намалението (при V = const -вътрешна енергия), когато адсорбцията се промени от a 1 на a 2 (в конкретния случай a 1 = 0): Q = -(H 2 - H 1) Това стойност, обикновено наричана маса и изразена в J/kg.
Има и друг механизъм, водещ до допълване. адсорбция на адсорбтиви под тяхната критична стойност. t-ry на порест при относително високи стойности на p/p s. Това - . Ако в пората се е образувал вдлъбнат адсорбат, тогава той започва при p/p s<1.
Согласно
ур-нию Кельвина:
където е повърхностното напрежение на адсорбата, V е неговият моларен обем, r е радиусът на кривината.
води до рязко покачване на изотермата на адсорбция. В този случай т.нар. адсорбиращи средства. хистерезис, т.е. адсорбционно несъответствие и десорбция. изотермични клонове. По правило това се дължи на факта, че формите не съвпадат по време на адсорбция.
Използвайки потенциалната теория, M.M. Дубинин предложи и разви теорията за обемното запълване на микропорите (VFM). Предполага се, че тази теория се отнася само за микропорести. Особеността на такива пори, при които линейните размери на порите са r1 nm, е, че целият обем на порите им е „запълнен“ с адсорбенти. поле. Следователно при адсорбцията те се запълват не слой по слой, а обемно. Количеството в разглеждания случай не е адсорбирано. потенциал, и до химичния знак. адсорбатен потенциал, измерен от химическото ниво. при същата температура. Целият набор от пори е разделен на три класа: микропори (r0,6 nm), мезопори (0,6 nm-20 nm) и макропори (r20 nm). Адсорбцията в микропорите се извършва по схемата TOZM, т.е. обемно, в мезопори - по механизма на послойно запълване, завършен. Макропори по време на адсорбция. не играят никаква роля. 
Като въведе идея за разпределението на обемите на порите според химичните стойности. адсорбатен потенциал в тях, M.M. Дубинин и Л. В. Радушкевич получиха уравнението на адсорбционната изотерма на TOZM, което обикновено се записва по следния начин. форма:
където p, E и a 0 са параметри (a 0 = a за p = p s). Температурна зависимост a 0:
Използвайки идеята, че в действителност има пори с различни размери и въвеждайки разпределение на стойностите на E с дисперсия, равна на F. Steckley, предложи обобщение на уравнението (23), наречено уравнение на Dubinin-Steckley: 
Кинетика на адсорбция
Адсорбцията, както всеки реален процес, протича с течение на времето. Следователно пълната теория на адсорбцията трябва да съдържа раздел за кинетиката на адсорбцията. Елементарната адсорбция настъпва почти моментално (изключение е хемосорбцията). Следователно се определят главно времевите зависимости на адсорбцията. механизъм, т.е. доставяне на адсорбента до мястото на адсорбция. Ако адсорбцията върху открита повърхност не е мигновена, такъв процес се случва в областта на външната дифузия; обаче, законите не са специфични за адсорбцията. При порестите, с изключение на външните , вътрешната започва да играе важна роля. , т.е. пренасяне на адсорбент в порите при наличие на градиент в тях. Механизмът на такъв трансфер може да зависи от адсорбента и размера на порите.
Има молекулярни, Кнудсенови и повърхностни (Фолмер) методи. Молекулярно се извършва, ако дължината е свободна. пробег в порите по-малък размерпори, Knudsen - ако тази дължина надвишава размера на порите. По време на повърхностната фаза те се движат по повърхността, без да преминават към обемната фаза. Въпреки това стойностите на коеф. не е същото за различни механизми. В множествено число В случаите не може да се установи експериментално как точно става това и затова т.нар ефективен коефициент , описващ процеса като цяло.
Основен нека експериментираме материал върху кинетиката на адсорбцията е т.нар. кинетичен крива, т.е. функция = a/a се равнява на =f(t) където е относителната адсорбция, равна на съотношението на текущата стойност на адсорбцията a към a, равно на нейната стойност в момент t. Да се тълкува кинетиката крива в най-простия случай се приема, че зърното има пореста структура, която е напълно хомогенна по обем (този модел се нарича квазихомогенен). Средства. Подобрение на квазихомогенния модел е идеята, че всяко зърно съдържа области с по-големи и фини пори. в такова зърно се описва от два различни типа. коефициенти.
В случай на отворена повърхност, приемайки модела на Langmuir, е лесно да се получи кинетиката. ниво на адсорбция. Скоростта на приближаване към е разликата между скоростите на адсорбция и . Ако приемем, както обикновено в кинетиката, че скоростите на процесите са пропорционални на реагиращите вещества, имаме:
където k adc и k des - съответно. адсорбция и в газовата фаза се счита за константа. Когато интегрираме това уравнение от t = 0 до всяка стойност на t, получаваме:
Следователно за f имаме: = равно. Следователно най-накрая имаме:
където k = k реклами + k дез.
Влиянието на температурата върху скоростта на адсорбция се изразява с уравнение, подобно на уравнението на Арениус. С повишаването на температурата k adc нараства експоненциално. защото в порите се свързва с преодоляване на активирането. бариери, температурните зависимости на kads и kdes не са еднакви.
Познаването на скоростите е важно не само за теорията на адсорбцията, но и за изчисляване на промишлени процеси. адсорбиращи средства. процеси. В този случай обикновено се занимават не с отделни зърна, а с техните слоеве. Кинетиката на процеса в слоя се изразява с много сложни зависимости. Във всяка точка на слоя в даден момент количеството адсорбция се определя не само от вида на уравнението на изотермата на адсорбция и законите на кинетиката на процеса, но и от аеро- или хидродинамични. условия на протичане на газ или течност около зърната. Кинетиката на процеса в слой, за разлика от кинетиката в отделно зърно, се нарича. динамика на адсорбция, обща схемаза решаване на задачи решението е следното: съставя се система от диференциали. уравнения в частни производни, отчитащи характеристиките на слоя, изотерма на адсорбция, характеристики на дифузия (коефициент, видове масопренос в целия слой и вътре в зърната), аеро- и хидродинамични. характеристики на потока. Уточняват се началните и граничните условия. Решението на тази система от уравнения по принцип води до стойностите на адсорбционните стойности в даден момент в дадена точка от слоя. Като правило, аналитични решението може да се получи само за най-простите случаи, така че тази задача се решава числено с помощта на компютър.
При експериментално изследване на динамиката на адсорбцията през слоя се пропуска поток газ или течност с дадени характеристики и се изследва съставът на изходящия поток като функция на времето. Появата на абсорбираното вещество зад слоя т.нар. пробив, а времето преди пробива е времето на защитно действие. Зависимостта на този компонент зад слоя от времето се нарича. изходна крива. Тези криви служат като основа. нека експериментираме материал, който позволява да се прецени моделите на динамиката на адсорбцията.
Хардуерно проектиране на адсорбционни процеси
Има много технологии. методи на адсорбция. процеси. Широко разпространена цикличност (интермитентни) инсталации с фиксирано легло, основни. възел от които - един или няколко. , изработени под формата на кухи колони, пълни с гранулат. През слоя се пропуска газов (или течен) поток, съдържащ адсорбирани компоненти, докато той пробие. След това той се регенерира и газовият поток се насочва към друг. включва редица етапи, от които основният е десорбция, т.е. изолиране на предварително абсорбирано вещество от. извършва се чрез нагряване, изпускане в газова фаза, изместване (напр. остра вода) или комбинация от тези методи. Тъй като времената на адсорбция не съвпадат, се избира такъв брой едновременно работещи и регенерирани, така че целият процес да протича непрекъснато.
Според техническите и икономичен съображенията не са спазени. Следователно работоспособността
Адсорбцията е универсален метод, който ви позволява почти напълно да премахнете примес от газ или течна среда. В химическата промишленост, по-специално в TNV, методът на адсорбция се използва широко за гладко почистване и изсушаване на технологичните потоци, подобряване на качеството на суровините и продуктите и е един от методите за опазване на околната среда.
Адсорбцияе концентрацията на вещества на повърхността или в обема на твърдо вещество. Най-малко два компонента участват в процеса на адсорбция. Нарича се твърдо вещество, на повърхността или в чийто обем е концентрирано абсорбираното вещество адсорбент. Резорбируемо вещество, разположено в газ или течна фазанаречен адсорбционен, и след като премине в адсорбирано състояние - адсорбат. Всяко твърдо вещество има повърхност и следователно е потенциално адсорбент. В технологията обаче се използват твърди адсорбенти с развита вътрешна повърхност. Развитието на вътрешната повърхност в твърдото тяло се постига чрез създаване на специални условия по време на неговия синтез или в резултат на допълнителна обработка.
От термодинамична гледна точка адсорбцията се проявява с намаляване на свободната енергия на Гибс (G). Както всички процеси, придружени от намаляване на енергията на Гибс, адсорбцията е спонтанен процес. Преходът на веществото от газ или течна фаза към адсорбирано състояние е свързан със загуба на поне една степен на свобода (триизмерна обемна газова или течна фаза двуизмерна повърхностна фаза), което води до намаляване на ентропията на системата (S). Тъй като енталпията (H) е свързана с енергията на Гибс и ентропията чрез уравнението H = G + TS, тя намалява по време на процеса на адсорбция и следователно адсорбцията е екзотермичен процес.
Адсорбционните явления се разделят на два основни вида: физическа адсорбция и хемосорбция (сорбция, базирана на сили на химично взаимодействие). Физическа адсорбцияпричинени от сили на молекулно взаимодействие: дисперсионни и електростатични. Дисперсионните сили имат основен принос за енергията на взаимодействие на молекулите. По този начин молекулите на всеки адсорбент имат флуктуиращи диполи и квадруполи, причинявайки мигновени отклонения на разпределението на електронната плътност от средното разпределение. Когато молекулите на адсорбента се доближат до атомите или молекулите на адсорбента, движението на флуктуиращите диполи придобива систематичен и строго подреден характер, което води до възникване на привличане между тях. В някои случаи дисперсионните сили се усилват от електростатични сили - ориентационни и индуктивни. Ориентационните сили възникват от взаимодействието на полярни молекули с повърхност, съдържаща електростатични заряди (йони, диполи), а индукционните сили се причиняват от промяна в електронната структура на адсорбента и адсорбентните молекули под въздействието един на друг.
За разлика от физическата адсорбция, когато хемосорбцияИндивидуалността на адсорбента и адсорбента не се запазва. Когато молекулите на адсорбента се приближат до повърхността на адсорбента, възниква преразпределение на електроните на взаимодействащите компоненти с образуването химическа връзка. Ако физическата адсорбция може да се сравни с кондензацията, тогава хемосорбцията се разглежда като химичен процес, протичащ на повърхността.
Физическата адсорбция и хемосорбцията могат да бъдат разграничени въз основа на числената стойност на топлината на адсорбция. Топлината на адсорбция на компонентите на промишлените газове е сравнима с топлината на тяхната кондензация и не надвишава 85-125 kJ/mol. Топлината на хемосорбция на един мол вещество достига няколкостотин kJ. Хемосорбцията, като правило, протича с ниска скорост, това обстоятелство често се използва за разпознаването му. В допълнение, хемосорбция може да възникне при високи температури, когато физическата адсорбция е незначителна. Хемосорбцията се характеризира с рязка, рязка промяна в абсорбционния капацитет на екстрахирания компонент при преминаване от адсорбента към един химическа природакъм адсорбент от различно естество. По време на хемосорбцията адсорбираните молекули не могат да се движат по повърхността на адсорбента, тяхното положение е фиксирано и такава адсорбция се нарича локализирана. Физическата адсорбция може да бъде локализирана или нелокализирана. Обикновено с повишаване на температурата молекулите стават подвижни и естеството на процеса се променя: локализираната адсорбция става нелокализирана.
Адсорбция.
Сорбция
Сорбция(от латинското sorbeo - абсорбирам, изтеглям) наричам всеки процес на абсорбция на едно вещество ( сорбтива) други ( сорбент), независимо от механизма на абсорбция.
В зависимост от механизма на сорбция се разграничават адсорбция, абсорбция, хемосорбция и капилярна кондензация.
Адсорбция
АдсорбцияТова е процес, който се случва на интерфейса. Той засяга само повърхностните слоеве на взаимодействащите фази и не се простира до дълбоките слоеве на тези фази.
Адсорбцията е явлението натрупване на едно вещество върху повърхността на друго.
Като цяло, адсорбцията е промяна в концентрацията на веществото на границата.
АбсорбцияАбсорбция , за разлика от адсорбцията, това е процес, който включва не само фазовия интерфейс, но също така разпространява.
за целия обем на сорбента
Пример за процес на абсорбция е разтварянето на газове в течност.
ХемосорбцияХемосорбция
е абсорбцията на едно вещество от друго, придружено от тяхното химично взаимодействие.
Капилярна кондензацияКапилярна кондензация
- втечняване на пара в капиляри, пукнатини или пори в твърди тела.
Явлението кондензация е различно от физическата адсорбция.
Адсорбция
По този начин сорбционните процеси се различават по своя механизъм. Всеки сорбционен процес обаче започва с адсорбция на границата на контактуващите фази, които могат да бъдат течни, газообразни или твърди. Нека ви го напомниме явлението натрупване на едно вещество върху повърхността на друго. Нека ви го напомнимкато цяло,
Адсорбциянаричаме промяната в концентрацията на вещество на границата.
възниква на всякакви междуфазови повърхности и всякакви вещества могат да бъдат адсорбирани.Адсорбционно равновесие
Адсорбция, т.е. равновесното разпределение на материята между граничния слой и съседните фази е динамично равновесие и бързо се установява.
намалява с понижаване на температурата. адсорбционенАбсорбираното вещество, което все още е в обема на фазата, се нарича адсорбат, абсорбиран - адсорбент.
Адсорбция. Вещество, върху чиято повърхност се извършва адсорбция -.
е обратим процес. Обратният процес на адсорбция се нарича десорбция.
Отстраняването на адсорбираните вещества от адсорбентите с помощта на разтворители се нарича елуиранеРазграничете молекулярноИ
йонна адсорбция
. Това разграничение става в зависимост от това какво се адсорбира - молекули или йони на веществото. АдсорбцияАдсорбция на повърхността на течности
Частици от вещества, разтворени в течности, могат да бъдат адсорбирани на повърхността на течности.
придружава процеса на разтваряне, засягайки разпределението на частиците на разтвореното вещество между повърхностния слой на разтворителя и вътрешния му обем.
В съответствие с втория закон на термодинамиката повърхностната енергия на течностите се стреми към минимум.В чистите разтворители тази енергия намалява чрез намаляване на повърхностната площ.
В разтворите повърхностната енергия може да намалява или да се увеличава поради промени в концентрацията на частици в повърхностния слой на течността. Гибсбеше установено, че разпределението на вещество, разтворено в течност, става по такъв начин, че се постига максимално намаляване на повърхностното напрежение.
Той също така предложи уравнение, което определя количеството на адсорбция Δσ Ж , т.е. излишък от вещество, натрупващо се в 1 cm 2 от повърхностен слой с дебелина приблизително една молекула, в сравнение със съдържанието на това вещество в същия обем вътре в течността..
Къде - промяна в повърхностното напрежение, съответстваща на промяна в концентрациятаΔС величина.
Δσ/ΔС нареченповърхностна активност следователноРазграничете адсорбция G.
зависи от Гибсстойности на повърхностна активност концентрация на вещество С.
Ако повърхностното напрежение намалее, тогава адсорбция
има
Концентрацията на разтвореното вещество в повърхностния слой ще стане значително по-висока, отколкото в останалата част от обема на течността.
Получената разлика в концентрациите неизбежно ще предизвика дифузия, която ще бъде насочена от повърхностния слой в течността и ще бъде пречка за пълното преминаване на всички разтворени частици към повърхностния слой.Ще се установи подвижно адсорбционно равновесие между разтвореното вещество в повърхностния слой и останалата част от обема на течността.
Адсорбция, придружена от натрупване на вещество в повърхностния слой , се нарича положителен. (Неговата граница е пълното насищане на повърхностния слой с адсорбираното вещество.Наричат се още положително адсорбиращи вещества Неговата граница е пълното насищане на повърхностния слой с адсорбираното вещество.повърхностноактивни вещества
Повърхностно активно вещество
). Във водни разтвори ролята.
вещества с мастна и дифилна природа (мазнини, повечето мастни киселини, кетони, алкохоли, холестерол и др.) ще играят роля.
Отрицателна адсорбция. Повърхностно неактивни вещества. Ако разтвореното вещество увеличи повърхностното напрежение, то ще бъде изтласкано от повърхностния слой в адсорбента. Тази адсорбция се наричаотрицателен
Границата на отрицателната адсорбция е пълното изместване на адсорбента от повърхностния слой в адсорбента (разтворителя).
В резултат на разликата в концентрациите ще настъпи дифузия.
, който ще бъде насочен към повърхностния слой.
Следователно винаги ще има известно количество адсорбент в повърхностния слой. Веществата, които рязко повишават повърхностното напрежение, почти не се съдържат в повърхностния слой на разредените разтвори.Само значително повишаване на концентрацията на такива разтвори води до движение на забележими количества разтворено вещество в повърхностния слой, което е придружено от увеличаване на повърхностното напрежение. Нар. отрицателно адсорбиращи веществаповърхностно неактивен
Адсорбция и повърхностно напрежение на биологични течности Отрицателна и положителна адсорбцияразлични вещества в кръвта и протоплазмата на клетките е от голямо значение за метаболизъм, в живите организми. Повърхностното напрежение на биологичните течности е значително
по-долу отколкото вода. Поради това ще се натрупат хидрофобни вещества, като мастни киселини и стероидипри съдови стениклетъчни мембрани , което улеснява проникването им през тези мембрани.За адсорбция от
водни разтвори голяма стойности хидрофобна въглеводородна верига:
Наричат се молекули, които едновременно притежават и двата вида групи дифилен.
В дифилна молекула с къса хидрофобна веригапреобладават хидрофилни свойстваследователно такива молекули се разтварят добре във вода, като се адсорбират отрицателно.
С удължаването на въглеводородната верига се увеличават хидрофобните свойства на молекулитеи разтворимостта им във вода намалява.
Следователно, повърхностноактивните вещества включват вещества с дифилна структура, които имат по-ниско повърхностно напрежение от разтворителя и чието разтваряне води до положителна адсорбция, което води до намаляване на повърхностното напрежение.
Повърхностноактивните вещества имат противоположни свойства.
Едновременно с увеличаването на хидрофобните свойства на молекулите се увеличава и тяхната повърхностна активност. Така че веригата се удължавахомоложни серии мастни киселини, алкохоли, амини и др. на радикал–CH2– повишава способността им за положителна адсорбция в разредени разтвори в 3,2 пъти
(Правилото на Траубе-Дюкло).
Молекулите на веществата с преобладаващи хидрофобни свойства (мастни киселини с високо молекулно тегло и др.) са разположени предимно на повърхността на водата, образувайки повърхностни филми.
При малък брой такива молекули не се образува повърхностен филм. Ако има много молекули, те са подредени една до друга, а хидрофобните им части стърчат над водната повърхност, образувайки така наречената палисада на Лангмюр.
1 - произволно подреждане на амфифилни молекули;
2 - Langmuir палисада;
3 - излишни молекули;
4 - хидрофилна част от молекулите;
5 - хидрофобна част от молекулите;Повърхностен филм
се образува от мономолекулен слой от молекули, всяка от които заема определена площ на повърхността на водата.
Може да се изчисли дебелината на слоя и площта, заета от всяка молекула.Така молекулите на мастните киселини с по една полярна група (маслена, валерианова, капринова киселини и др.) заемат площ на водната повърхност
21 10 -16 см 2
, независимо от дължината на въглеводородната верига.
Мастните киселини с две полярни групи (например олеиновата киселина) заемат два пъти по-голяма площ, а молекулите с три полярни групи (например тристеарин) заемат три пъти по-голяма площ и т.н.
Когато има излишък на вещество с преобладаващо хидрофобни свойства, неговите молекули се намират над молекулния филм.
На границата въздух-вода повърхностно активното вещество може да се адсорбира във въздушни мехурчета в разтвора.
Филмът от това вещество образува нещо като черупка около мехурчето. Такъв мехур, когато се натисне през тесни пори във филтъра, не е способен на рязка деформация и следователно може да запуши по-големи дупки във филтъра, отколкото мехур без филм. Водолазите, работещи на голяма дълбочина, понякога изпитват т.нардекомпресионна болест
. Въздухът се подава към техните скафандри под налягане и следователно в кръвта на водолазите се разтваря повишено количество газове.Ако се издигнете на повърхността твърде бързо, налягането в скафандрите пада рязко и
значителна част от кръвните газове се отделят под формата на мехурчета, върху който се образува повърхностен филм от повърхностноактивни вещества, съдържащи се в кръвта.
Газовите мехурчета запушват малките съдове в различни тъкани и органи, което води до тежко заболяване или дори смърт на човек.Подобна патология може да възникне в резултат на рязко падане.
атмосферно налягане
по време на разхерметизиране на скафандрите на пилотите и кабините на самолетите по време на полети на голяма надморска височина.
За лечение на декомпресионна болест пациентът се поставя в барокамера, където се създава високо налягане.
Газовите мехурчета се разтварят отново в кръвта. В продължение на няколко дни налягането в барокамерата бавно намалява.
През това време излишните газове от кръвта също толкова бавно се отстраняват през белите дробове, без да създават запушвания.
Адсорбция от твърди вещества Твърдите вещества могат да адсорбират газове и пари, както и молекули и йони на разтворени вещества.Природата на силите, причиняващи адсорбция Адсорбцията върху твърди вещества може да се обясни с наличието на привличащи силови полета, възникващи поради небалансирани връзки в кристалната решетка.На изпъкналите области на твърд адсорбент (на активни центрове) адсорбцията е особено силна. И такапроекции
върху парче въглен 4,5 пътиадсорбира кислород по-интензивно, отколкото вдлъбнатинина повърхността му.
Силите на адсорбция могат да бъдат доста големи. По този начин, за да се отстранят напълно адсорбираните водни молекули от стъклото, то трябва да се нагрее силно във вакуум.
Адсорбенти, с мощен силови полета, се оказват изцяло покрити с адсорбирани частици.
При незначителни сили на адсорбция само по-активните центрове се покриват от адсорбирани частици.
Адсорбцията се влияе не само от природата на адсорбента, но и от адсорбента. Така върху твърдите адсорбенти по-силно се адсорбират онези газове, които се втечняват по-лесно, т.е. чиято критична температура е по-висока.
АдсорбцияОбратимост на адсорбцията представляваобратим процес . Адсорбираните частици не остават неподвижни.Те се задържат върху адсорбента само за стотни и хилядни от секундата и когато се десорбират, се заменят с нови частици.
Освен това те не са строго фиксирани върху адсорбента, но могат да се движат по повърхността му.
В резултат на това се установява
динамично адсорбционно равновесие
между свободни и адсорбирани частици.
Скорост на адсорбция
Скоростта на адсорбция е от голямо значение за практическото използване на различни адсорбенти.
Например, в противогаз, въздухът, преминаващ през кутията, трябва много бързо да се изчисти от примеси от токсични вещества, което е възможно само при високи скорости на адсорбционните процеси.Трябва да се отбележи, че активният въглен в противогаза играе ролята не само на адсорбент за редица токсични вещества, но и на катализатор за реакциите на разлагане на някои от тях. По-специално, активният въглен катализира хидролизата на фосгена: COCl2 + H2O = HCl + CO2. повишаване на температурата.
намалява физическата адсорбция адсорбция, тъй като това увеличава движението на молекулите в адсорбционен слой.
, се нарушава ориентацията на адсорбираните молекули, т.е.
десорбцията се увеличава
От друга страна, повишаването на температурата увеличава енергията на адсорбираните частици, коетоподобрява химическата адсорбция
е абсорбцията на едно вещество от друго, придружено от тяхното химично взаимодействие.
Следователно в някои случаи повишаването на температурата засилва десорбцията, а в други увеличава адсорбцията. Така за повечето газове повишаването на температурата намалява адсорбцията.В същото време повишаването на температурата от –185 до +20 ° C увеличава адсорбцията на кислород от платина 10 пъти, тъй като химическата адсорбция се увеличава.
Повишено налягане газове и пари повишава адсорбцията., над което парата се насища при по-ниско налягане, отколкото над равна повърхност. Това увеличава кондензацията на парите в капилярите на адсорбента.
Капилярната кондензация е особено силно изразена при лесно втечняващите се газове.
Пример за процес на абсорбция е разтварянето на газове в течност.
По време на хемосорбцията веществото влиза в химична реакция с адсорбента, Например:
O2 + 2Cu = 2CuO.
Ако новообразувани по време на хемосорбцияТъй като молекулите дифундират дълбоко в адсорбиращото вещество, постигането на сорбционно равновесие става по-бавно, тъй като зависи от скоростта на дифузия.
Ако при хемосорбцияНа повърхността на сорбента се появяват недифундиращи молекули, т.е. Ако се образува филм, той забавя и в крайна сметка спира процеса на хемосорбция.
По този начин алуминиева плоча, сорбираща кислород, е покрита с филм от алуминиев оксид, който бързо спира процеса на хемосорбция:
4Al + 3O2 = 2Al2 O3.
Хемосорбция, като всеки химическа реакция, Може би екзо-или ендотермичен. Следователно повишаването на температурата засилва някои процеси на хемосорбция и отслабва други.
Невъзможно е да се направи пълна разлика между адсорбция и хемосорбция. Обикновено тези два процеса протичат заедно.
Процес спонтаненконцентрация на газове или разтворени вещества на границата се нарича Нека ви го напомним. В зависимост от естеството на контактуващите фази се разграничава адсорбцията на границите: газ - твърдо, газ - течност, течност - твърдо и течност - течност.
Още през 1785 г. руският учен Т.Е. Ловиц открива способността на въглищата да абсорбират разтворени вещества. Оттогава много трудове са посветени на изследването на адсорбционните явления, сред които от първостепенно значение са произведенията на руски учени: академик Н. Д. Зелински, който предлага въглищата като универсално средство за защита срещу газообразни токсични вещества; М. С. Цвет, който разработи хроматографски метод за разделяне на вещества според тяхната адсорбционна способност; Академик К.К. Гедройец, който създава теорията за поглъщателната способност на почвите; Академик М.М. Думански, който разработи метод за производство на активни адсорбенти. Чуждестранните учени Гибс, Лангмюр, Фройндлих, Поляни, Бранауер и други направиха много за развитието на теорията и практиката на адсорбцията.
Адсорбцията е следствие от намаляване на ненаситеността на молекулните, атомните или йонните сили на границата и се причинява от натрупването на вещество, което намалява свободната повърхностна енергия. Адсорбцията е спонтанен процес, защото В резултат на процеса на адсорбция свободната повърхностна енергия намалява, а според втория закон на термодинамиката такива процеси са спонтанни.
Веществата, които се адсорбират се наричат адсорбати(понякога - адсорбенти) и вещества, които адсорбират на тяхната повърхност - адсорбенти.
В зависимост от характера на силите, действащи между частиците (молекули, атоми, йони) на адсорбата и адсорбента, те се разграничават физическиили ван дер ваалсова адсорбция и химическиили хемосорбция.
Естеството на адсорбцията може да се установи чрез изучаване на нейната кинетика и енергия. Наистина, физическата адсорбция възниква под въздействието на сравнително слаби междумолекулни кохезионни сили (сили на Ван дер Ваалс) и е подобна по природа на процесите на кондензация на адсорбатни пари, нейната топлина е близка до топлината на кондензация и възлиза на 10 - 50 kJ. /мол. Следователно, когато температурата се повишава, физическата адсорбция намалява.
Хемосорбцията е свързана с припокриване на електронни орбитали на адсорбат и адсорбентни частици, т.е. се причинява от тяхното химично взаимодействие, което обаче не води до образуване на обемна фаза. Топлината на хемосорбцията е сравнима с топлината на химичните реакции и обикновено е 60 - 600 kJ/mol. Химическата адсорбция се увеличава с повишаване на температурата.
Адсорбцията е обратим процес. Обратният процес на адсорбция се нарича десорбция.
Отстраняването на адсорбираните вещества от адсорбентите с помощта на разтворители се нарича молекулярни и йоннихемосорбция в зависимост от това какво се адсорбира - молекули или йони на веществото. От своя страна йонната адсорбция се разделя на обмен и адсорбция на потенциалоопределящи йони.
Обменна адсорбция. Обменната адсорбция възниква на границата твърдо вещество/разтвор на електролит и се състои в това, че адсорбентът и разтворът обменят катиони или аниони помежду си в еквивалентни количества, поради което принципът на електрическа неутралност на разтвора на електролита и адсорбента остава непокътнат.
Основните фактори на обменната адсорбция, които определят нейната специфика, са: наличието на двоен електрически слой върху повърхността на твърдия адсорбент, валентност, радиус и степен на хидратация на йоните на електролитния разтвор.
Обменната адсорбция протича малко по-бавно от обикновено.
За да разберем процеса на обменна адсорбция, можем да разгледаме процеса на образуване на двоен електрически слой по време на взаимодействието на частица сребърен хлорид с разтвор на калиев хлорид. Хлорните йони, сблъсквайки се с n частици, ще се комбинират със сребърни йони, образувайки здраво задържан слой от C1 йони, като по този начин зареждат повърхността на частицата. Такива йони се наричат потенциалоопределящи и защото добавените C1 - йони увеличават концентрацията си, т.е. се адсорбират на повърхността, тогава този вид адсорбция се нарича адсорбция йони, определящи потенциала.
Адсорбираните C1 - йони зареждат частицата отрицателно и под въздействието на електростатичните сили на привличане броят на K + йони, съседни на повърхността на частицата, ще се увеличи. С други думи, адсорбцията на противойони ще настъпи под въздействието на електростатични сили. Тъй като K + йони могат да бъдат заменени с други йони със същия знак, взаимодействащи с частицата само електростатично, такива йони се наричат обменни, тяхната адсорбция е обмен.
По този начин обменната адсорбция възниква в процеса на обмен на йони на двойния електрически слой на адсорбента и йони на разтвора. Това може да бъде представено схематично чрез следните уравнения:
Адсорбент - ½H + + Na + + Cl - à Адсорбент - ½Na + + H++Cl -
Адсорбент + ½OH - + Na + + Cl - à Адсорбент + ½Cl - + Na + + О-
От горната диаграма може да се види, че по време на адсорбцията на йони рН на средата може да се промени (Н + или ОН - йони преминават в разтвора), разтворът придобива кисела или алкална реакция, този тип адсорбция се нарича хидролитичен.
Тъй като обменната адсорбция е химическа, обменът на йони се извършва в строго еквивалентни съотношения.
Обменните йони върху твърда повърхност имат определена величина и знак на заряд, следователно, за да не се разруши двойният електрически слой (EDL), обменните йони от разтвора могат да бъдат само йони със същия знак. В този случай величината на повърхностния заряд не трябва да се променя. По този начин обменната адсорбция може да бъде само анионен обмен или катионен обмен.
Явленията на обменната адсорбция играят важна роля в процесите, протичащи в почвите. Обменният комплекс на почвите е почвопоглъщателният комплекс (ПОУ), състоящ се от колоидни частици, отрицателно заредени. Обменните йони в почвата са катиони. Най-важните свойствапочва: водопропускливост, влагоемкост, набъбване, структура, рН на почвения разтвор и др. - определят се от състава на адсорбираните йони. Например почвите, съдържащи значително количество натриеви йони в състава на обменните катиони, придобиват специални, така наречените „солонцови свойства“. Характеризират се с висока дисперсност, плътен състав, висока алкалност, повишен набъбване и вискозитет и ниска водопропускливост. Тези почви са трудни за обработване и въпреки големите запаси хранителни вещества, не са много плодовити. Ако обменните катиони на почвата включват предимно калциеви йони, тогава такива почви имат добра структура, ниска атомизация и добра водо- и въздухопропускливост. Тези почви са сред най-плодородните. Пример за почви с високо съдържание на обменен калций и отлични физикохимични свойства са черноземните почви.
Йонообменните процеси в почвите могат да бъдат представени чрез следната диаграма:
[PPK] - 2Na + + Ca 2+ + SO 4 2- = [PPK] - Ca 2+ + Na 2 SO 4
Б.П. Николски и E.N. Гапон предложи уравнение, описващо обменната адсорбция:
Тук g 1 и g 2 са броят на g-mol (g-eq) адсорбирани и десорбирани йони на единица маса на адсорбента, а 1 и a 2 са активностите на обмен на йони в разтвор при равновесие; z 1 и z 2 са зарядът на йоните, K е константата на този процес на адсорбция.
Феноменът на адсорбция се използва широко в промишлеността и селско стопанство. Така активният въглен се използва за адсорбционно пречистване (рафиниране) на захарозен сироп. Именно адсорбционните сили задържат йоните минерални торове(K +, PO 4 -3 и др.) и молекули (урея) в почвата. Адсорбцията на урея е физическа, нейните молекули се задържат слабо от почвата. Затова карбамидът обикновено се добавя през пролетта, за да се предотврати отнасянето му от пролетните наводнения. Калиеви торове могат да се прилагат в почвата през есента, тъй като адсорбцията на K + йони се причинява от химични сили (йонни връзки) и е силна.
Като цяло адсорбцията е функция на налягането P (за газове) или концентрация C (за течни разтвори) и температура, т.е. се представя с равнина в координати Г = f(C,T). Обикновено един от параметрите се поддържа постоянен и адсорбцията се изобразява графично като криви.
Количествената връзка, установена между адсорбента и адсорбента при постоянна температура под формата на уравнение или крива, се нарича изотерма на адсорбция.
Има няколко вида изотерми на адсорбция - най-простите уравнения за описание на адсорбцията са уравнението Фройндлихи уравнение Ленгмюр.
Адсорбционна изотерма на Фройндлих. Адсорбцията на разтворено вещество върху твърда повърхност следва определен модел, според който концентрацията на адсорбираното вещество не нараства пропорционално на концентрацията му в разтвора, а много по-бавно и е пропорционална на корен n от разтвора концентрация. Тази зависимост при постоянна температура може да бъде представена със следното уравнение:
X/m = K C 1/ n
Къде X– количество (mol) адсорбирано вещество м g адсорбент: C - равновесна концентрация; K и 1/n са емпирични константи, характерни за данните за адсорбента и адсорбата; стойността на 1/n варира между 0,1 – 0,7. Това уравнение е известно като адсорбционни изотерми и има формата на парабола.
За да се начертае графично изотермата на адсорбция на Freundlich, равновесната концентрация в mmol/l се нанася върху абсцисната ос, а стойността на адсорбция за единица повърхност X/m в mmol/gram се нанася върху ординатната ос. Фигура 7 показва графично изображениеУравнения на Фройндлих.
Основни понятия
намалява с понижаване на температурата. адсорбционенАбсорбираното вещество, което все още е в обема на фазата, се нарича адсорбат. В по-тесен смисъл адсорбцията често се разбира като абсорбция на примес от газ или течност. твърдо(в случай на газ и течност) или течност (в случай на газ) - адсорбент. В този случай, както и в общия случай на адсорбция, примесът се концентрира на границата адсорбент-течност или адсорбент-газ. Обратният процес на адсорбция, тоест прехвърлянето на вещество от интерфейса към обема на фазата, се нарича десорбция. Ако скоростите на адсорбция и десорбция са равни, тогава говорим за установяване адсорбционно равновесие. В състояние на равновесие броят на адсорбираните молекули остава постоянен за неопределено време, ако външните условия (налягане, температура и състав на системата) остават непроменени.
Адсорбция и хемосорбция
На границата между две фази, в допълнение към адсорбцията, която се причинява главно от физически взаимодействия (основно сили на Ван дер Ваалс), може да възникне химическа реакция. Този процес се нарича хемосорбция. Ясното разделение на адсорбция и хемосорбция не винаги е възможно. Един от основните параметри, по които се различават тези явления, е топлинният ефект: по този начин топлинният ефект на физическата адсорбция обикновено е близък до топлината на втечняване на адсорбата, топлинният ефект на хемосорбцията е много по-висок. Освен това, за разлика от адсорбцията, хемосорбцията обикновено е необратима и локализирана. Пример за междинни варианти, които комбинират характеристики както на адсорбция, така и на хемосорбция, е взаимодействието на кислород върху метали и водород върху никел: при ниски температури те се адсорбират според законите на физическата адсорбция, но с повишаване на температурата започва да се появява хемосорбция.
Подобни явления
Предишният раздел обсъди случая на хетерогенна реакция, протичаща на повърхност - хемосорбция. Има обаче случаи на хетерогенни реакции в целия обем, а не само на повърхността - това е често срещана хетерогенна реакция. Поглъщането в целия обем може да възникне и под въздействието на физически сили; този случай се нарича абсорбция.
Физическа адсорбция
| Физични модели на адсорбция | |
| Образуване на монослой | Енергийна диаграма |
 |
|
| ориз. 1:а) адсорбент, б) адсорбат, в) адсорбент (газова фаза или разтвор) | ориз. 2: a) адсорбент, b) адсорбат, c) газова фаза, d - разстояние, E - енергия, E b - енергия на адсорбция, (1) десорбция, (2) адсорбция |
| Поликондензация | Селективна адсорбция |
 |
 |
| ориз. 3:а) адсорбент, б) адсорбат, в) кондензат, г) адсорбент (газова фаза или разтвор) | ориз. 4:а) адсорбент, б) адсорбат, в) адсорбиращи агенти (газова фаза или разтвор): показана е преференциална адсорбция на сини частици |
Причината за адсорбцията са неспецифични (т.е. независими от природата на веществото) сили на Ван дер Ваалс. Адсорбцията, усложнена от химическото взаимодействие между адсорбента и адсорбата, е специален повод. Явления от този вид се наричат хемосорбцияРазграничете химическа адсорбция. Нарича се „обикновена“ адсорбция в случаите, когато е необходимо да се подчертае естеството на силите на взаимодействие физическа адсорбция.
Физическата адсорбция е обратим процес; условието на равновесие се определя от еднакви скорости на адсорбция на адсорбционните молекули Пвърху свободните участъци от повърхността на адсорбента S*и десорбция - освобождаване на адсорбата от свързано състояние S−P:
;Уравнението на равновесието в този случай е:
, ,където е частта от повърхността на адсорбента, заета от адсорбата, е адсорбционният коефициент на Langmuir, а P е концентрацията на адсорбента.
Тъй като и, съответно, , уравнението на адсорбционното равновесие може да бъде написано, както следва:
Уравнението на Langmuir е една форма на уравнението на адсорбционната изотерма. Уравнението на адсорбционната изотерма (по-често се използва съкратеният термин адсорбционна изотерма) се отнася до зависимостта на равновесната стойност на адсорбцията от концентрацията на адсорбента a = f (C) при постоянна температура ( T=конст). Концентрацията на адсорбента за случай на адсорбция от течност се изразява по правило в молове или масови фракции. Често, особено в случай на адсорбция от разтвори, те използват относителен размер: C/C s, където C е концентрацията, C s е максималната концентрация (концентрация на насищане) на адсорбента при дадена температура. В случай на адсорбция от газовата фаза, концентрацията може да бъде изразена в единици за абсолютно налягане или, което е особено характерно за адсорбцията на пари, в относителни единици: P/P s, където P е налягането на парите, P s е налягане наситени париот това вещество. Самата адсорбционна стойност може също да бъде изразена в единици концентрация (отношението на броя на молекулите на адсорбата към общ броймолекули на интерфейса). За адсорбция върху твърди адсорбенти, особено когато се разглеждат практически проблеми, се използва съотношението на масата или количеството на абсорбираното вещество към масата на адсорбента, например mg/g или mmol/g.
Стойност на адсорбция
Адсорбцията е универсално и повсеместно явление, което се случва винаги и навсякъде, където има интерфейс между фазите. Най-великият практическо значениеима адсорбция на повърхностноактивни вещества и адсорбция на примеси от газ или течност със специални високоефективни адсорбенти. Като адсорбенти могат да действат различни материали с висока специфична повърхност: порест въглен (най-често срещаната форма е активен въглен), силикагел, зеолити, както и някои други групи естествени минерали и синтетични вещества.
Инсталацията за извършване на адсорбция се нарича адсорбер.
Вижте също
- Инсталации за адсорбция на азот
Бележки
Литература
- Фролов Ю. Курс по колоидна химия. Повърхностни явления и дисперсни системи. - М.: Химия, 1989. - 464 с.
- Keltsev N.V. Основи адсорбционна технология. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
- Грег С., Сингх К. Адсорбция, специфична повърхност, порьозност. - М.: Мир, 1984. - 310 с.*
- Адамсън А. Физическа химия на повърхностите. – М.: Мир. 1979. – 568 с.
- Oura K., Lifshits V.G., Saranin A.A et al. Въведение в физиката на повърхността / Ed. В. И. Сергиенко. - М.: Наука, 2006. - 490 с.
- Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура на диспергирани и порести материали. - Новосибирск: Наука. 1999. - 470 с.
- Химическа енциклопедия. Т. 1. - М.: Съветска енциклопедия, 1990. - 623 с.
- Полторак О.М. Термодинамика във физикохимията. - М.: висше училище, 1991. - 319 с.
Връзки
- // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: В 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - Санкт Петербург. , 1890-1907.